§ 2. Основной закон фильтрации подземных вод - закон Дарси

Движение подземных вод происходит при наличии разности гид­равлических напоров (уровней). Воды движутся от мест с более вы­соким напором (уровнем) к местам с низким напором (рис. 12.2).

Чем больше разность напоров ΔН = H₁ — H₂, тем скорость дви­жения подземных вод будет выше. Отношение разности напоров ΔН к длине пути фильтрации l называют напорным или гидравличес­ким градиентом I = ΔН/l.

,

где Q — расход воды или количество фильтрующей воды через попе­речное сечение F в единицу времени, м³/сут; — коэффициент филь­трации, м/сут; F — площадь поперечного сечения потока воды или водоносного пласта, м²; ΔН — разность напоров, м; l — длина пути фильтрации, м; I — напорный градиент.

Разделив обе части уравнения на площадь сечения F и используя понятие скорости фильтрации v, т. е. отношение расхода Q к площа­ди поперечного сечения потока,

т. е. v = Q/F, получаем

Скорость фильтрации по формуле v = Q/F не отвечает действи­тельной скорости движения воды в породе. Это связано с тем, что в формулу входит величина F, отражающая все сечение фильтрую­щейся породы, а вода, как известно, течет лишь через часть сечения, равную площади пор и трещин породы. Поэтому величина v являет­ся кажущейся.

Действительную скорость движения воды v определяют с уче­том пористости породы

,

где п — пористость, выраженная в долях единицы.

Так как величина пористости всегда меньше единицы, то дей­ствительная скорость движения воды всегда значительно выше ско­рости фильтрации (примерно в 3—4 раза). Например, в галечниках при п - 0,25 действительная скорость движения подземных вод бу­дет в 4 раза выше скорости фильтрации. В глинистых породах часть пор занята связанной водой и вода передвигается только через от­крытые поры, поэтому в данном случае в формулу вводят не n, а n_акт (активную пористость).

Закон Дарси, или линейный закон фильтрации, справедлив для преобладающего числа случаев фильтрации в самых разнообразных породах, поэтому его называют основным законом движения под­земных вод. Однако закон Дарси не является всеобщим.

Движение турбулентного потока не подчиняется закону Дарси. Для выражения фильтрации воды в породах с крупными пустотами и тре­щинами, в хорошо промытых галечниках при турбулентном режиме служит уравнение А. А. Краснопольского, характеризующее нелиней­ный закон фильтрации:

где k_к — коэффициент, определяемый опытным путем в поле.

Естественные выходы подземных вод на поверхность (источники)

Естественный выход подземных вод на земную поверхность назы­вают источником (или родником, ключом). В сущности, источник — это естественное вскрытие подземных вод. По А. М. Ов­чинникову, источники можно рассматривать как своеобразные природ­ные сооружения, из которых ведется откачка воды.

Количество воды, которое дает источник в единицу времени, на­зывается дебитом или расходом источника (л/с, м³/сут).

Происхождение источников, их химический и газовый состав, температура, дебит, постоянство существования весьма различны. Это объясняется разнообразием питающих их водоносных горизонтов, различиями в геологическом строении и геоморфологии райо­нов.

Наибольший практический интерес представляет классификация источников по характеру их выхода на поверхность (гидродинамичес­кому признаку), т. е. разделение их на нисходящие и восходящие (рис.

Нисходящие источники образуются при естественном выходе на дневную поверхность безнапорных вод (грунтовых, трещинно-грунтовых и др.). Подземная вода к нисходящему источнику движется сверху вниз: от области питания к области дренирования, где она и выходит на поверхность. Источники этого типа встречаются в пони­женных частях рельефа (речных долинах, оврагах, балках), а также в зоне контакта пород различной водопроницаемости.

Различают источники сосредоточенные, т.е. выходящие в од­ном месте, и рассредоточенные, когда грунтовая вода выходит в виде отдельных источников вдоль склона оврага или речной до­лины.

Среди нисходящих источников для водоснабжения чаще всего используют источники карстовых и грунтовых вод.

Карстовые источники образуются при выходе подземных вод из трещин и полостей закарстованных пород. Дебит карстовых источников достигает огромных величин — нескольких кубичес­ких метров в секунду. Так, например, дебит источника Красный Ключ в долине р. Уфы равен 15 м³/с (в период снеготаяния 30— 50 м³/с), в районе г. Гагры — 8 м³/с. Крупные карстовые источни­ки имеются ив других карстовых районах:

Источники грунтовых вод образуются в основном эрозионным путем, т. е. при вскрытии грунтовых вод речными долинами, овра­гами, балками или при подпруживании грунтового потока водоупор­ными породами. Дебит источников фунтовых вод обычно не пре­вышает нескольких десятков м³/ч. Этого дебита бывает достаточно для удовлетворения потребностей в воде небольших предприятий и населенных пунктов.

Восходящие источники образуются при выходе на поверхность напорных вод. Чаще всего они приурочены к скальным трещинова­тым породам. Движение воды к источникам направлено снизу вверх. Восходящий источник можно определить по колебанию в выходя­щей струе взвешенных песчинок, а также по выделению пузырьков воздуха и газов.

Восходящие источники являются очагами разгрузки артезианс­ких, трещинно-жильных, межмерзлотных и подмерзлотных вод.

Значительно реже встречаются восходящие карстовые источни­ки.

Воды восходящих источников, имеющие лечебное значение, на­зываются бальнеологическими или минеральными. Широко извест­ны железистые источники Железноводска и Ижевска, углекислые источники Ессентуков, Боржоми и Карловых Вар, сероводородные источники Пятигорска, Мацесты, Цхалтубо.

Источники с температурой более 80°С (гейзеры) периодически фонтанируют в районах молодой вулканической деятельности (Кам­чатка, Исландия и др.) и используются для горячего водоснабжения и отопления.

Некоторые понятия

Режим подземных вод — это изменение во времени их уровня, химического состава, температуры и расхода.

В естественных условиях для подземных вод характерен ненару­шенный (естественный) режим, который формируется в основном под влиянием метеорологических, гидрологических и геологичес­ких факторов.

Метеорологические факторы (осадки, испарение, температура воздуха, атмосферное давление) — основные в формировании ре­жима грунтовых вод. Они вызывают сезонные и годовые (много­летние) колебания уровня, а также изменения химизма, температу­ры и расхода фунтовых вод.

Обычно амплитуды сезонных колебаний грунтовых вод не пре­вышают 2,5—3,0 м, а максимальные составляет 10—15 м (в доли­нах горных рек, сложенных галечниками и закарстованными извес­тняками).

Подъем уровня начинается лишь через некоторое время после выпадения осадков. Этот отрезок времени тем больше, чем мень­ше водопроницаемость пород и больше глубина залегания грунто­вых вод.

Гидрологический режим рек влияет на положение уровней под­земных вод и их химизм в полосе шириной от 0,2—0,5 км (в песчано-глинистых отложениях) до 2—6 км в хороню проницаемых по­родах. Колебания уровня подземных вод в речной долине с некото­рым отставанием отражают колебания уровня реки.

В районах морских побережий уровень грунтовых вод изменяет­ся под действием приливов и отливов.

Геологические факторы действуют на любом участке земной коры. С глубиной их значение увеличивается. Среди геологичес­ких факторов выделяют медленно действующие (колебательные тек­тонические движения, внутренняя теплота земного шара и др.) и эпизодические (землетрясения, вулканизм, оползни, грязевые вул­каны).

Баланс подземных вод

Под балансом подземных вод понимают соотношение между при­ходом и расходом подземных вод на данном участке за определен­ное время.

Режим и баланс подземных вод взаимосвязаны, и если первый отражает изменение количества и качества подземных вод во време­ни, то второй — результат этого изменения. Баланс может состав­ляться для крупных территорий или для отдельных участков (поля орошения и фильтрации, групповые водозаборы и т. д.). Участки, где проводятся измерения прихода и расхода подземных вод, назы­вают балансовыми.

С помощью баланса характеризуют водообеспеченность района и возможности ежегодного пополнения запасов подземных вод, изу­чают причины подтопления территорий, прогнозируют изменение уровня подземных вод.